(57)【要約】【課題】  レーザ分光分光装置において波長掃引範囲を拡大することで、多成分の測定を可能とすると共に、未知の成分の分析も行えるレーザ分光分析装置を実現する。【解決手段】  波長可変レーザを用い、波長を掃引して分光測定を行うレーザ分光分析装置において、複数の波長に対応した波長変換素子と、この波長変換素子に対応した複数の励起用レーザを有するとともに、前記波長変換素子が直列に接続されている。【選択図】                    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長可変レーザを用い、波長を掃引して分光測定を行うレーザ分光分析装置において、複数の波長に対応した波長変換素子と、この波長変換素子に対応した複数の励起用レーザを有するとともに、前記波長変換素子が直列に接続されたことを特徴とするレーザ分光分析装置。
【請求項２】
複数の波長変換素子を１つのデバイス上に形成したことを特徴とする請求項１記載のレーザ分光分析装置
【請求項３】
波長変換素子と励起用レーザの対応する波長の間隔が、波長可変レーザの波長掃引範囲よりわずかに狭く設定されたことを特徴とする請求項１又は２記載のレーザ分光分析装置。
【請求項４】
励起用レーザをそれぞれオンオフ設定できるように構成したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のレーザ分光分析装置。
【請求項５】
励起用レーザのオンオフをレーザの出射部分に設けたシャッターの開閉により行うことを特徴とする請求項４に記載のレーザ分光分析装置。
【請求項６】
複数の測定対象成分に対応した測定波長条件を記憶する測定波長条件記憶装置を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のレーザ分光分析装置。
【請求項７】
測定時に指定された測定対象成分に応じた測定波長を設定する測定コントロール装置を有することを特徴とする請求項６に記載のレーザ分光分析装置。
【請求項８】
記憶された複数の測定対象成分に対応した測定波長条件の波長のみを順次測定するよう構成したことを特徴とする請求項６に記載のレーザ分光分析装置。
【請求項９】
測定された分光結果に基づき、測定対象成分の濃度を求める濃度演算装置を有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のレーザ分光分析装置。
【請求項１０】
複数の測定対象成分に対応した濃度演算条件を記憶する濃度演算条件記憶装置を有し、測定時に測定対象成分を指定することにより濃度演算条件が設定できるよう構成したことを特徴とする請求項９に記載のレーザ分光分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ分光分析装置の光源部分に関し、測定波長範囲の拡大を図ったレーザ分光分析装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
狭帯域のファイバレーザとＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｆｅｅｄ  Ｂａｃｋ）半導体レーザにより中赤外差周波光を安定に発生し、微量物質を検出する先行技術として、例えば下記のようなものがある。
【０００３】
【非特許文献１】応用物理  第７１巻  第２号  ｐ．２１９          技術ノート（新しいコヒーレント光源技術）            環境計測用中赤外差周波技術  芦澤他
【０００４】
図２は上記非特許文献１に記載された従来のレーザ分光分析装置を示す要部構成図である。図において、（ａ）で示す部分は励起ステージであり、ファーバーレーザ２０及び波長可変ＤＦＢ−ＬＤ２１により構成されている。この励起ステージからはそれぞれ、波長λp＝１０３８ｎｍ、λs＝１５７７ｎｍのレーザ光が出射される。
【０００５】
それぞれのレーザ光は、ポーラライザ２２ａ，２２ｂを介して伝送され、ＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexer）ファイバー２３によって結合される。結合された光は差周波発生ステージ（ｂ）を構成する赤外用の対物レンズ（ｆ＝１０ｍｍ）２４によりＰＰＬＮ（Periodically Polled Lithium Niobate）結晶２５の中心に集光される。２つのレーザ光はＰＰＬＮ２５により一部波長変換され波長λd＝１／（１／λp−１／λs）となる差周波光が２つのレーザ光と共にＰＰＬＮ２５から出射する。なお、ＰＰＬＮ２５は温度調節モジュール２６により温度管理されている。
【０００６】
波長λp、λs、λdのレーザ光はそれぞれＣａＦ２レンズ（ｆ＝５０ｍｍ）２７によりコリメートされ計測ステージ（ｃ）のマルチパスセル（ｌ＝１０ｍ）あるいはガスセル（ｌ＝０．１ｍ）２８に導入される。マルチパスセルまたはガスセル２８から出射した光は放物面鏡２９を経てＧｅフィルター３０により測定波長であるλdの光のみが取り出され、ＨｇＣｄＴｅ光検出器３１で電気信号に変換される。この電気信号はＤＣアンプ３２でデジタル信号に変換され、解析用コンピュータ３３に入力されて解析される。３４ａ，３４ｂ，３４ｃは反射鏡である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記従来例の構成においては、レーザの波長掃引範囲が数１０ｎｍと狭いため、測定対象とするガスの吸光スペクトルにより最適な掃引波長範囲を選び装置を構成することになる。大気などの成分を分析する際、複数の成分を測定する場合には、その掃引波長範囲に測定に適した光の吸収がある成分のみ測定可能であり、その他の成分を測定するためには、その成分の吸収スペクトルにより、適した波長範囲を掃引することが出来る他の装置を用いることになる。
【０００８】
また、波長掃引範囲が限られているため、未知の成分を含むサンプルなどの場合には、未知の成分については分析できないなどの問題があった。
本発明は、レーザ分光分光装置において波長掃引範囲を拡大することで、多成分の測定を可能とすると共に、未知の成分の分析も行えるレーザ分光分析装置を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
波長可変レーザを用い、波長を掃引して分光測定を行うレーザ分光分析装置において、複数の波長に対応した波長変換素子と、この波長変換素子に対応した複数の励起用レーザを有するとともに、前記波長変換素子が直列に接続されたことを特徴とする。
【００１０】
請求項２記載の発明は、請求項１記載のレーザ分光分析装置において、
複数の波長変換素子を１つのデバイス上に形成したことを特徴とする。
【００１１】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載のレーザ分光分析装置において、
波長変換素子と励起用レーザの対応する波長の間隔が、波長可変レーザの波長掃引範よりわずかに狭く設定されたことを特徴とする。
【００１２】
請求項４記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載のレーザ分光分析装置において、
励起用レーザをそれぞれオンオフ設定できるよう構成したことを特徴とする。
【００１３】
請求項５記載の発明は、請求項４に記載のレーザ分光分析装置において、
励起用レーザのオンオフをレーザの出射部分に設けたシャッターの開閉により行うことを特徴とする。
【００１４】
請求項６記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載のレーザ分光分析装置において、
複数の測定対象成分に対応した測定波長条件を記憶する測定波長条件記憶装置を有することを特徴とする。
【００１５】
請求項７記載の発明は、請求項６に記載のレーザ分光分析装置において、
測定時に測定対象成分を指定し、その測定対象成分に応じた測定波長を設定する測定コントロール装置を有することを特徴とする。
【００１６】
請求項８記載の発明は、請求項６に記載のレーザ分光分析装置において、
記憶された複数の測定対象成分に対応した測定波長条件の波長のみを順次測定するよう構成したことを特徴とする。
【００１７】
請求項９記載の発明は、請求項１乃至８のいずれかに記載のレーザ分光分析装置において、
測定された分光結果に基づき、測定対象成分の濃度を求める濃度演算装置を有することを特徴とする。
【００１８】
請求項１０記載の発明は、請求項９に記載のレーザ分光分析装置において、
複数の測定対象成分に対応した濃度演算条件を記憶する濃度演算条件記憶装置を有し、測定時に測定対象成分を指定することにより濃度演算条件が設定できるよう構成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば次のような効果がある。
請求項１に記載の発明によれば、レーザ分光装置において光源ユニットに複数の励起用レーザと波長変換素子、波長可変レーザを有し、前記波長変換素子が直列に接続されているため、一つの波長可変レーザ光より、それぞれの波長変換素子で波長変換されるため、一つの波長変換素子で波長変換する場合より、広範囲の波長のレーザ光を得ることが出来る。
【００２０】
請求項２に記載の発明によれば、複数の波長変換素子を１つのデバイス上に直列に接続して形成したので、波長変換素子をそれぞれ一つのデバイスとして作成する場合に比べ、安価であり、また、それぞれの光軸を調整する構造等が必要ないため、簡単な構造で、かつ小型化が実現できる。
【００２１】
請求項３に記載の発明によれば、波長変換素子と励起用レーザの対応する波長の間隔が、波長可変レーザの波長掃引範よりわずかに狭く設定されているので、それぞれの波長変換素子で変換される波長範囲がオーバーラップし、切れ間が無く、広範囲な波長範囲でレーザ光を発することが可能となる。
【００２２】
請求項４に記載の発明によれば、励起用レーザのオンオフを任意に設定できるように構成したので、励起用レーザと波長変換素子を測定成分によって使い分け、それぞれの成分の測定に必要な波長のレーザ光を発生できる。
【００２３】
請求項５に記載の発明によれば、励起用レーザのオンオフをレーザの出射部分に設けたシャッターの開閉により行うようにしたので、励起用レーザを電気的にオンオフする場合に比べ、励起用レーザを安定動作させることが出来る。
【００２４】
請求項６に記載の発明によれば、複数の測定対象成分に対応した測定波長条件を記憶する測定波長条件記憶装置を有しているので、特定成分のみ測定する場合、その成分の測定に必要な波長のみ選択的に測定が行える。
【００２５】
請求項７に記載の発明によれば、測定時に測定対象成分を指定し、その測定対象成分に応じた測定波長を設定する測定コントロール装置を有しているので、測定したい成分を設定するだけで自動的にその成分に対応した波長の測定が実行される。
【００２６】
請求項８に記載の発明によれば、記憶された複数の測定対象成分に対応した測定波長条件の波長のみを順次測定するよう構成したので、指定した複数の成分の変化を順次、連続的に測定することが出来る。
【００２７】
請求項９に記載の発明によれば、測定された分光結果に基づき、測定対象成分の濃度を求める濃度演算装置を有しているので、測定結果をそれぞれの成分の濃度として得ることができる。
【００２８】
請求項１０に記載の発明によれば、複数の測定対象成分に対応した濃度演算条件を記憶する濃度演算条件記憶装置を有し、測定時に測定対象成分を指定することにより濃度演算条件が設定できるよう構成したので、複数の測定成分を異なった光路でそれぞれ測定することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。
図１は本発明に係るレーザ分光分析装置のブロック構成図である。
図において、測定成分入力装置１が測定コントロール装置２に接続されている。また、この測定コントロール装置２には測定波長条件記憶装置３が接続されている。測定コントロール装置２の出力は、光源ユニット（ａ）内の波長可変レーザ４、レーザコントローラ５に入力されているとともに、濃度演算装置（ｂ）に接続されている。
【００３０】
光源ユニット（ａ）は波長可変レーザ４、励起用レーザＬＤ１〜ＬＤ５、レーザコントローラ４、シャッター１〜５、カプラ６、ＰＰＬＮ１〜５、レンズ７、フィルター８から構成されている。
光源ユニット（ａ）から出力された光はサンプル流路９に設けられた窓１０を介して流路内を流れるサンプルを透過し、検出器ユニット（ｃ）で受光される。検出器ユニット（ｃ）に入射した光はレンズ１１を通って集光され、ＰＤ１２で電気信号に変換された後、アンプ１３で増幅され、信号処理装置１４に入力する。
【００３１】
検出器ユニット（ｃ）からの出力は濃度演算装置（ｂ）に接続される。濃度演算装置（ｂ）は濃度演算条件記憶装置１５を有しており、濃度演算装置（ｂ）からは濃度信号が出力する。
【００３２】
上述の構成において、測定成分入力装置１より測定したい成分を入力する。測定波長条件記憶装置３にはそれぞれの成分に対しての測定波長条件が記憶されている。また濃度演算装置（ｂ）内の濃度演算条件記憶装置１５には、サンプルを光が透過するパス長などの濃度演算条件が記憶されている。濃度演算条件は測定成分入力装置１より入力、編集することができる。
【００３３】
測定成分入力装置１より測定したい成分を入力すると、測定コントロール装置２から濃度演算装置（ｂ）にその測定成分情報が出力される。また、測定コントロール装置２では、測定波長条件記憶装置３よりその成分に対応する測定波長条件を取り出し、その波長条件に従って、測定波長情報を波長可変レーザ４とレーザコントローラ５に出力・コントロールし、測定波長のレーザを光源ユニット（ａ）より出力する。
【００３４】
光源ユニット（ａ）から出力されたレーザ光はサンプル流路９に設けられた窓１０を透過し、サンプルにより光の吸収を受けた後、検出器ユニット（ｃ）で検出される。検出器ユニット（ｃ）で検出されたレーザ光はＰｄ１２で電気信号に変換された後、検出器ユニット（ｃ）内の信号処理装置１４で信号処理され濃度演算装置（ｂ）に出力される。濃度演算装置（ｂ）では、濃度演算条件記憶装置１５に記憶された濃度演算条件に従い濃度を演算し、濃度信号として出力する。
【００３５】
次に、それぞれのユニットについて説明する。
光源ユニット（ａ）は波長可変レーザ４、励起用レーザＬＤ１〜５、励起用レーザの光を出射もしくは遮断を設定するためのシャッター１〜５、そのシャッターの開閉をコントロールするレーザコントローラ５、波長可変レーザ４と励起用レーザＬＤ１〜５の光を合成するカプラ６、カプラ６により合成された光が入射する直列に並べられた波長変換素子ＰＰＬＮ１〜５、波長変換素子ＰＰＬＮ１〜５より出射されるレーザ光を平行光とするためのレンズ７、波長変換素子で波長変換されて得られた所望の波長のレーザ光以外の波長を遮断するための、フィルタ８で構成されている。
【００３６】
レーザコントローラ５では測定波長条件に合致する励起用レーザ光のみが出射されるようシャッター１〜５をコントロールする。今、該当するレーザがＬＤ２と仮定すると、シャッター１およびシャッター３〜５を閉としてＬＤ１、およびＬＤ３〜５からのレーザ光を遮断し、ＬＤ２よりの出射光のみがカプラ６に入射する。また、波長可変レーザ４についても測定波長条件に基づき必要な波長のレーザ光が出射されてカプラ６に入射する。
【００３７】
カプラ６で合成された前記の２つの光は波長変換素子ＰＰＬＮ１〜５に入射する。
ＰＰＬＮは疑似位相整合を用い非線形光学効果により波長変換を行う素子で、励起用レーザの波長をλp、信号光（波長可変レーザ）の波長をλs、波長変換後（測定光）の波長をλdとした場合、Λ＝１／｛（Ｎp／λp）−（Ｎd／λd）−（Ｎs／λs）｝となる周期で分極反転を行った場合に高効率の波長変換が可能となる（Ｎp、Ｎd、Ｎsはそれぞれλp、λd、λsにおける屈折率）。
【００３８】
また、そのときに波長変換で得られる測定光の波長は、励起用レーザの波長λpと信号光の波長λsの差周波となりλd＝１／｛（１／λp）−（１／λs）｝となる。また、ＰＰＬＮはその性質上、励起用レーザに対応した素子のみが波長変換を行う。例として、励起用レーザはＬＤ２のみが出射されているので、ＬＤ２に対応したＰＰＬＮ２でのみ波長変換が行われる。
【００３９】
次に検出器ユニット（ｃ）について説明する。検出器ユニット（ｃ）は測定光をフォトダイオードＰＤ１２上に集光するレンズ１１、フォトダイオードＰＤ１２、ＰＤ１２で検出された信号を増幅するアンプ１３、アンプ１３からの信号をフィルタリングし、Ａ／Ｄ変換する信号処理装置からなっており、光信号を検出しその強度をデジタル信号として出力する。
【００４０】
濃度演算装置（ｂ）では、測定コントロール装置２からの測定成分情報に基づき、濃度演算条件記憶装置１５に記憶された濃度演算条件をもとに濃度を演算し、濃度信号を出力する。
本発明によれば、レーザ分光分析装置において、光源ユニットに複数の励起用レーザと波長変換素子、波長可変レーザを有し、励起用レーザと波長変換素子を測定成分によって使い分け、それぞれの成分の測定に必要な波長のレーザ光を発生できる構成としたため、レーザ光の波長掃引範囲を拡大することができ、一台の装置で多成分の測定を可能とすることができる。また、波長変換素子と励起用レーザの組み合わせにより、波長を連続的に掃引するように構成することが出来、未知の成分の分析も行えるよう構成することもできる。
【００４１】
なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。従って本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明のレーザ分光分析装置の一実施例を示すブロック構成図である。
【図２】従来例を示す図である。
【符号の説明】
【００４３】
１    測定成分入力装置
２    測定コントロール装置
３    測定波長条件記憶装置
４    波長可変レーザ
５    レーザコントローラ
６    カプラ
７，１１  レンズ
８    フィルタ
９    サンプル流路
１０  窓
１２  Ｐｄ（フォトダイオード）
１３  アンプ
１４  信号処理装置
１５  濃度演算条件記憶装置
２０  ファイバーレーザ
２１  ＤＰＦ−ＬＤ
２２  ポーラライザ
２３  ＷＤＭ
２４  対物レンズ
２５  ＰＰＬＮ
２６  温度調節用モジュール
２７  ＣａＦ２レンズ
２８  マルチバスセル
２９  放物面鏡
３０  Ｇｅフィルター
３１  光検出器
３２  ＤＣアンプ
３３  コンピュータ
３４  反射鏡
【図１】
2005265499.tif 000003
【図２】
2005265499.tif 000004